Continuando con el tema de los semiconductores hoy te voy a revelar todos los secretos del Diodo Zener, veremos ¿Qué es? ¿Cómo funciona? Y cuales son sus aplicaciones, además, aplicaremos lo aprendido a través de un ejemplo.

• No olvides visitar mis otros post, por ejemplo, Diodo rectificador o mi curso básico de electrónica.

Si ya has visitado algunos de mis post verás que siempre trato de dejarte una definición para consolidar cada concepto, y este artículo no será la excepción, aquí te dejo mi definición respecto al diodo zener.

¿Qué es un diodo Zener?

El diodo Zener es un tipo de semiconductor que al polarizarlo en inversa, entre sus terminales nos entrega un voltaje estable, aun cuando a la entrada haya una variación de tensión.

Símbolo del diodo Zener

¿De qué está fabricado un Diodo Zener?

Está fabricado a partir de la unión de dos materiales tipo p y n, donde, la unión de dichos elementos se le conoce como región de empobrecimiento y dependiendo de la polarización su comportamiento puede variar ya sea como interruptor a como un regulador de voltaje.

• Está diseñado para ser polarizado en inversa con la intención de hacerlo trabajar en la región Zener de la curva característica del diodo.

Cuando polarizamos correctamente este componente, logramos que en sus terminales se mantenga un voltaje o diferencia de potencial prácticamente constante llamado voltaje Zener V_z, solo debemos tener cuidado en calcular esta variación para no dañar el componente, más adelante lo veremos en el ejemplo que preparado par ti.

Los Zener operan en una zona específica dentro la curva característica del diodo, recordemos la definición del diodo.

Un diodo es un semiconductor que cuenta con una unión de dos materiales tipo p y n.

• El diodo puede actuar como un interruptor cerrado si en sus extremos se aplica una diferencia de potencial positiva.
• Y será un circuito o interruptor abierto si se aplica una tensión negativa.

¿Cómo funciona un diodo Zener?

• En esencia los diodos funcionan como interruptores electrónicos cuando están en directa, en esta condición rompemos la barrera que existe en la zona de la unión de los materiales p y n permitiendo que la corriente fluya.
• Cuando un diodo es polarizado en inversa y se tiene niveles de dopado adecuado se convierte en un diodo Zener.

Bajo estas condiciones el componente opera en la llamada región Zener de la curva característica del diodo, en donde la corriente de saturación del diodo I_D es prácticamente igual a la corriente de saturación en inversa Iz, pero, debemos de tener mucho cuidado en no llevar al componente a la región de ruptura o avalancha del diodo.

 📌 NOTA: No olvides que siempre debes consultar la DATSHEET para obtener exactamente los parámetros del componente y así obtener exactamente la curva característica del diodo que estas utilizando.

• Bajo las condiciones que te he mencionado el diodo Zener funciona como un regulador de voltaje, es decir, en sus terminales se presenta un diferencial de potencial prácticamente constante mientras lo mantengamos en la región Zener a una temperatura estable.

Tipos de Zener

La ubicación de la región Zener se obtiene variando el nivel de dopado en los materiales, un incremento en el dopado que aumente el nivel de impurezas reducirá el potencial Zener.

Con esto se tiene acceso a distintos tipos de diodos Zener con potenciales que van desde los 1.8 Volts a 200 Volts, soportando potencias desde un cuarto de watts a unos 50 watts aproximadamente y dadas las excelentes capacidades que nos brinda el Silicio en corriente y temperatura la mayoría de los diodos están hechos de este semiconductor.

¿Para qué sirve un diodo Zener?

La función principal como hemos visto es actuar como un regulador de voltaje para determinadas tensiones, lo cual depende del grado de dopaje del diodo.

También son utilizados como elementos de protección para los circuitos ya que al fungir como reguladores de voltaje evitan que la tensión aumente o sobrepase la cantidad necesaria para que estos operen.

Polarización del diodo Zener

Podemos polarizarlo en 3 diferentes maneras:

Sin polarización

En estas condiciones no presenta ningún estimulo externo por lo tanto el voltaje o tensión de polarización es igual a cero, lo que da como resultado una corriente inversa y directa igual a cero.

Al no recibir un estímulo, los electrones y los huecos en la zona de la unión se combinan de tal manera que provocan un una carencia o disminución de portadores libres próxima a la dicha región.

Polarización en directa

Bajo estas condiciones la región de empobrecimiento (o como hemos viste en artículos anteriores la unión de los materiales p y n) disminuye, permitiendo el libre flujo de electrones, por lo tanto, un diodo Zener en directa se comporta como cualquier otro diodo y varia su comportamiento según sus materiales y niveles de impurezas.

En estas condiciones la temperatura juega un papel importante ya que el aumento de la temperatura hace que la tensión necesaria para encender el diodo disminuya y en caso contrario aumente.

Bajo estas condiciones el número de portadores minoritarios del material p al n y el flujo de huecos del material tipo n al p no cambian ya que su nivel de conducción está definido directamente por las impurezas y nivel de dopaje del material.

Polarización en inversa

Si aplicamos una tensión positiva al material tipo n y negativa al material tipo p, los iones positivos aumentan en la región de empobrecimiento, de igual manera los iones negativos se incrementan en esta zona debido a la atracción de la tensión aplicada en ambos extremos.

Este estado de polarización es para lo cual están hechos los diodos Zener y consiste en llevar al diodo a la región Zener, pero teniendo extremo cuidado en no sobrepasar dicha región, ya que podríamos llegar al estado de avalancha y zona de ruptura provocando la destrucción del componente.

En esta región la zona de empobrecimiento aumenta, pero los electrones reciben suficiente energía cinética para romper esta barrera provocando flujo de corriente que depende de los materiales y nivel de dopaje del diodo.

Bajo estas características la resistencia interna del diodo es bastante grande que puede ser ignorada, considerando al componente como un circuito abierto, ya que en sus extremos tenemos un voltaje constante, considerando al dispositivo como una fuente de voltaje en directa.

Resistencia de drenaje Rs en un Zener

Para evitar que sobrepasemos la corriente máxima en inversa, se coloca una resistencia en serie al diodo la cual limita el flujo de corriente en el Zener, ahora, si se conecta una carga en las terminales del diodo, la carga tendrá un voltaje constante por el simple hecho de estar conectada en paralelo y siempre y cuando la tensión supere el voltaje Zener y dado que la corriente en el Zener es despreciable, la mayor cantidad de corriente fluye hacia la carga.

Para calcular la resistencia de drenaje se utiliza la siguiente fórmula:

Donde

• Vs es el voltaje de entrada al circuito
• Vo el voltaje en la carga que a su vea es igual a Vz (voltaje Zener)
• I_L es la corriente que fluye en la carga
• I_Z es la corriente que fluye en el diodo Zener la cual comúnmente se establece en el el rango del 10 al 20 por ciento de la corriente I_L

Efectos de la temperatura en el Zener

Este dispositivo es afectado por la temperatura como cualquier otro semiconductor y este efecto está definido en la siguiente ecuación.

Donde

• T₁ Nuevo nivel de temperatura
• T₀ Temperatura ambiente en un gabinete cerrado (25 °C)
• T_C es el coeficiente de temperatura
• V_Z es el potencial Zener nominal a 25 °C

Ejemplo: diodo Zener como regulador de voltaje

Regulando el voltaje con Zener

Para poner en práctica lo que hemos aprendido vamos hacer un ejercicio que nos ayude a comprender mejor el funcionamiento de este semiconductor. Supongamos que queremos hacer lo siguiente, tenemos el circuito eléctrico de la figura que se encuentra mas abajo, donde tenemos:

• Una entrada de voltaje de una pila de 12 Volts
• Y tenemos un carga de 8 Ω a la que necesitamos aplicarle un voltaje de 5 volts aproximadamente
• Además el diodo nos indica que que su voltaje es de 5.1 V ≈ 5 V (lo que tomaremos como 5 Volts) a 1 Watt de potencia

Con los datos anteriores debemos diseñar un circuito que cumpla lo siguiente:

• Calcular la resistencia de drenaje Rs, considerando a Iz al 10% de I_L
• Obtener la Potencia eléctrica de la resistencia Rs
• Calcular la variación máxima y mínima con lo cual se mantendrá el voltaje de 5 volts en la carga

Solución del ejercicio

Lo primero que vamos a resolver es la obtención del valor de la resistencia de drenaje, para esto vamos a ocupar la formula que vimos anteriormente:

Rs = Vs - Vo / I_L + Iz

Bien, en esta ecuación tenemos varias incógnitas, I_L e Iz, sin embargo, sabemos que en la resistencia de carga debemos tener 5v y su valor es de 8 Ω, aplicando ley de Ohm tenemos lo siguiente:

I_L = Vo / R_L = 5 / 8 = 0.625 A

Ahora que ya conocemos el valor de I_L vamos a obtener Iz el cual es el 10% de I_L, por lo tanto:

Iz = IL * 0.1 = 0.0625 A

Excelente vamos bien, ahora ya podemos calcular el valor de nuestra Rs

Rs = (12 - 5) / 0.625 + 0.0625 = 7 / 0.6875 = 10.18 Ω ≈ 10 Ω 

Listo ya tenemos nuestro primer dato encontrado Rs = 10 Ω

Ahora antes de determinar la potencia debemos conocer la variación mínima y máxima que puede tener la entrada para que el circuito funcione correctamente, así que para esto lo que vamos hacer es despejar Vs de la formula que utilizamos para encontrar la corriente de drenaje.

Vs =  ( I_L + Iz ) Rs + Vo

Y ¿Por qué la despejamos? Bien Iz no puede superar la corriente máxima para la cual esta diseñado y tampoco puede ser menor a 0, lo que indica que tenemos un valor mínimo y máximo para Iz.:

• Mínimo de Iz = 0 A
• Y el máximo según los datos de este ejemplo es Izmax = Pz / Vz = 1 w / 5.1 v = 0.196 A

Listo ya tenemos la variación de corriente del diodo Zener ahora con esto ya podemos calcular la variación de Vs con lo cual la regulación se mantiene, así que empecemos con el Vsmin

El valor del voltaje de entrada mínimo Vsmin dado que Iz = 0 A es:

Vsmin = (I_L * Rs) + Vo = (0.625 * 10.18) + 5 = 11.34 Volts

El valor de voltaje de entrada máximo Vsmax dado que Iz = 0.196 A es:

Vsmax = (IL + Izmaz) Rs + Vo = ((0.625 + 0.196) * 10.18) + 5 = 13.35 Volts

Listo los valores máximos y mínimos para mantener la regulación en aproximadamente 5 Volts en la carga es de:

• Vsmin = 11.34 Volts
• Vsmax = 13.35 Volts

Y ¿Qué representan realmente estos valores? Bueno esto es más fácil de explicar una vez calculados, si la fuente aplica una tensión inferior a 11.34 volts el diodo Zener no conducirá.

Por otra parte, si la fuente aplica más de 13.35 volts, el diodo Zener puede quemarse ya que lo corriente que circulará en el excederá la máxima de fabricación y se destruirá.

Por último, sólo queda calcular la potencia en la resistencia de drenaje Rs lo cual lo haremos de la siguiente manera:

Ps = (Vs - Vz) / Rs = (12 - 5.1) / 10.18 = 0.677 Watts

Esto valor es muy importante ya que poner una resistencia que solo cumpla los Ohm puede dañar todo el circuito, Ps = 0.677 watts con lo cual tendrás que utilizar una resistencia de 1 Watt.

Tablas de valores para Diodos Zener

Aquí te dejo algunas series de Zener con sus respectivos valores en Watts y voltaje, estaré subiendo información cada vez que tenga nuevos datos, así que no olvides en regresar.

Video sobre el uso del diodo Zener

Compra tus diodos zener online

A continuación te dejo algunas opciones de diodos zener que puedes comprar en línea y te llega hasta la puerta de tu casa.

Excelente, hemos llegado al final, ahora ya sabes cómo polarizar un diodo zener y como configurarlo para que opere como un regulador de voltaje, espero que te haya sido útil, nos vemos en el siguiente tema.